趙迪斐，焦偉偉，魏源，張海杰，李利格，郭英海，Geoff Wang

1.中國礦業(yè)大學人工智能研究院，江蘇徐州 221008

2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008

3.重慶地質礦產研究院頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 401120

4.重慶地質礦產研究院自然資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室，重慶 401120

5.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116

6.重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，重慶 401121

7.石家莊經濟職業(yè)學院信息工程系，石家莊 050000

8.昆士蘭大學化學工程學院，昆士蘭州布里斯班 4072

0 引言

我國非常規(guī)油氣資源儲量豐富，開發(fā)潛力巨大。目前，四川盆地等地區(qū)已經實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)[1-3]，但適用于我國地質特征的頁巖氣地質理論研究仍處于起步階段，在頁巖氣富集、賦存機理及影響因素等方面還有待進一步完善[3-4]。我國頁巖氣實現(xiàn)商業(yè)化產能的主要層位為四川盆地晚奧陶系五峰組與早志留系龍馬溪組底部頁巖，在盆地內分布廣泛、厚度適宜且普遍含氣[5-6]。頁巖儲層物質組分細小，微觀儲集空間主要處于納米尺度，這也造成儲層物性的影響因素復雜；該層系小尺度非均質性極強，難以表征[6-8]。目前，對五峰組—龍馬溪組頁巖儲層沉積—古地理特征、層序格架、儲層發(fā)育特征的研究已經取得了豐富的進展[5,9-11]。在儲層評價、表征以及機理研究中，頁巖孔隙性質、滲透性質及其影響因素是關注的熱點。同時，對頁巖力學脆性的研究主要聚焦在室內力學性質的表征與評價上，而對其影響因素尤其是儲層成巖作用的研究仍然有待進一步深入[12-15]。

在特定的沉積—古地理背景下沉積形成頁巖儲層的物質組分，經歷漫長的成巖作用改造[6,14-15]。對五峰組—龍馬溪組頁巖成巖作用的研究成果仍然相對較少，但成巖作用對儲層孔隙性、滲透性、力學脆性等的影響已經得到了一定程度認識。成巖作用是頁巖物性最重要的塑造因素以及含氣性的核心影響因素之一[6,14-16]，其對儲層發(fā)育的影響，貫穿了儲層生烴、成孔、物性改造的全過程。目前，四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖層系成巖作用基本類型及階段已經初步明確，成巖作用對孔隙系統(tǒng)和物性的影響得到了初步認識[1-3,6,14-16]。頁巖儲層在開發(fā)方式上對可壓裂性能要求較高，尋找高脆性的儲層區(qū)塊與層段是頁巖儲層優(yōu)選的目標，礦物組分與成巖改造被認為是塑造儲層力學性質的主要因素[6,12,16]。頁巖儲層成巖作用類型復雜，壓實作用、礦物轉化作用等儲層成巖作用顯著影響了儲層物質組分、結構、孔隙、物性、含氣性特征，目前的階段研究主要圍繞儲層成巖作用過程中的物質組分演化、孔隙及物性變化、結構與力學性質變化等方面展開，也對部分頁巖儲層成巖作用的影響因素開展了研究[6,8,10,14-16]。隨著研究的不斷深入，頁巖儲層成巖作用仍然在以下方面值得進一步深入：1）成巖作用及其影響的觀測、描述，還需要結合先進實驗手段進一步精細化、量化；2）成巖作用的研究需要進一步結合沉積環(huán)境背景下的物質組分及巖石結構差異；3）成巖作用對儲層不同物性的影響，需要專門研究。本文綜合X射線衍射、氬離子拋光—場發(fā)射掃描電鏡、能譜、巖石薄片/光片顯微觀察、有機地球化學測試以及巖石力學測試手段，對頁巖成巖作用展開研究，并討論其對頁巖儲層力學脆性的影響。

1 測試樣品與研究手段

四川盆地內五峰組—龍馬溪組頁巖儲層廣泛分布，構成一套含筆石黑色頁巖層系，但五峰組與龍馬溪組頁巖形成的沉積環(huán)境存在差異。受“三隆夾一坳”的古地理格局限制，五峰組頁巖沉積期水體相對滯留，對應滯留海盆環(huán)境[17-18]。五峰組頂部觀音橋段沉積期在全球冰期等因素的影響下水體迅速變淺，沉積以泥質灰?guī)r、灰質泥頁巖為主要巖性的觀音橋段沉積物[17]。至龍馬溪組沉積期，隨著冰期結束以及構造運動影響，龍馬溪組頁巖沉積初期水體迅速加深，在研究區(qū)內以深水陸棚環(huán)境沉積為主，沉積了典型的富筆石水平層理頁巖，龍馬溪組頁巖向上水體深度逐漸減小，沉積環(huán)境過渡為半深水—淺水陸棚環(huán)境[19]。

研究區(qū)位于渝西地區(qū)，大地構造位置上跨四川盆地川南低陡褶皺帶北部、川東高陡褶皺帶南部以及川中低平褶皺帶東南部（圖1）。相比于川東地區(qū)（如涪陵焦石壩地區(qū)）、川南地區(qū)（如長寧—威遠地區(qū)），渝西地區(qū)的頁巖氣地質研究仍然較少，研究區(qū)內五峰組—龍馬溪組頁巖地層穩(wěn)定發(fā)育[2]，但埋深相對較大，研究程度相對較低。

圖1 研究區(qū)位置、主要取樣點及代表性鉆孔（Z?203井）Fig.1 Study area,major sampling locations,and representative well(Z?203)

對觀音橋剖面、三泉剖面、泉淺1井、大足Z-203井等研究區(qū)代表性剖面或鉆孔進行了系統(tǒng)的巖心編錄與手標本研究，在此基礎上，遴選各層段代表性樣品制作巖石薄片、光片，系統(tǒng)觀察巖石微觀結構、沉積構造特征，找出礦物組分分異、巖石結構的層段性差異；對代表性樣品展開X射線衍射、氬離子拋光—場發(fā)射掃描電鏡、能譜、巖石薄片/光片顯微觀察、有機質特征測試，基于測試結果對儲層成巖作用展開研究，并結合應力測試等手段，分析儲層成巖作用對儲層力學脆性的影響，為力學脆性角度的頁巖儲層優(yōu)選提供科學支撐。

X射線衍射測試于中國礦業(yè)大學現(xiàn)代分析測試中心完成，使用德國D8 ADVANCE X射線衍射儀，測試前對樣品進行預處理，研磨至細粉過325目篩，測試條件為電壓40 kV，電流30 mA，陽極靶材料為Cu靶、Ka輻射，測角儀半徑為250 mm，測試后使用Jade分析軟件進行礦物組分半定量。場發(fā)射掃描電鏡在哈爾濱工業(yè)大學完成，使用S-4700冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測，最小觀測尺度可達8～10 nm，測試前以Helios Nanolab 600i聚焦離子電子雙束顯微鏡對樣品進行氬離子拋光處理，在各樣品獲取面積約2 mm2的假高斯狀觀測面，進行典型視域的礦物、微觀結構、物質空間分布特征觀測。單軸應力測試等巖石力學測試于煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室以及西南石油大學完成，選取各組段樣品，均為垂向取芯，分別加工成直徑2.54 cm，長度6.00 cm，端面磨平，使用GCTS RTR-2000巖石力學測試實驗設備，進行單軸抗壓強度實驗。

2 頁巖儲層巖石學特征

2.1 頁巖物質組分特征

剖面觀測與手標本研究顯示，研究區(qū)五峰組頁巖儲層主要巖性為黑色碳質頁巖、硅質頁巖（圖2a），含灰質泥巖、粉砂質泥頁巖等，富含筆石，水平層理較為發(fā)育。五峰組內巖性變化較為顯著，碳質頁巖、碳質—硅質頁巖、粉砂質泥頁巖等相間分布（圖2b），觀音橋段巖性主要為泥質灰?guī)r—灰質泥頁巖，富含赫南特貝等化石；龍馬溪組底部頁巖上覆于五峰組觀音橋段，巖性對應碳質頁巖，水平層理極為發(fā)育（圖2c）；龍馬溪組中下部巖性以碳質頁巖、粉砂質頁巖為主，水平層理發(fā)育程度降低；五峰組—龍馬溪組下部頁巖層理面富集筆石化石（圖2d），龍馬溪組上部層段巖性過渡為灰黑色—深灰色粉砂質泥頁巖為主，沉積構造以粉砂質紋層為主（圖2e，f）。

圖2 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層發(fā)育特征Fig.2 Shale reservoir characteristics of the Wufeng?Longmaxi Formation in the study area

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層代表性樣品的有機地化特征及礦物組分特征如表1所示。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖有機碳含量介于0.32%～4.45%，其中，五峰組與龍馬溪組底部—下部層段含量最高，介于2.01%～4.45%。研究區(qū)頁巖有機質等效海相鏡質體反射率介于2.90%～3.42%，反映有機質演化達到了高—過成熟階段。X射線衍射測試顯示，頁巖儲層礦物組分主要包括脆性礦物、黏土礦物與黃鐵礦等其他礦物，脆性礦物主要由石英礦物構成，含少量長石、方解石、白云石等，脆性礦物比例介于26%～84.4%；黏土礦物主要包括伊利石、綠泥石、伊蒙混層等類型。Z-203井龍馬溪組下部—底部層段部分樣品脆性礦物含量極高（>80%），綠泥石含量極少；黃鐵礦普遍發(fā)育，含量介于0.8%～6.5%。同時，結合研究區(qū)前人的測試數據可知，礦物含量與比例具有層段性差異[6,8,11,15-16]。

表1 五峰組—龍馬溪組頁巖儲層代表性樣品有機地化特征及礦物組分特征Table 1 Organic geochemical characteristics and mineral composition characteristics of representative samples from the Wufeng Longmaxi shale reservoir

2.2 頁巖儲層力學脆性特征

選取不同層段的代表性頁巖儲層樣品展開單軸應力測試，以表征力學脆性的層段性差異。對頁巖力學脆性的表征，一般可以分為基于脆性礦物比例的評價方法與基于室內力學測試的評價兩種類型[12]。從脆性礦物比例來看，五峰組—龍馬溪組下部頁巖儲層脆性礦物含量比例最高，介于48.2%～85.1%，均值約為69%[8-11]；龍馬溪組中上部頁巖儲層脆性礦物含量均值小于50%。垂向鉆取的代表性頁巖樣品力學參數測試結果表明，五峰組—龍馬溪組下部頁巖儲層差應力介于25.2～65.3 MPa，均值約52.79 MPa，楊 氏 模 量 介 于1.605×104～2.840×104MPa，均 值 約1.822×104MPa，泊 松 比 介 于0.203～0.493，均 值 為0.332。適于體積壓裂的頁巖具有低泊松比或者高楊氏模量的特征[12]，垂向鉆取的代表性頁巖樣品數據顯示，龍馬溪組中上部頁巖力學性質參數波動較大，五峰組—龍馬溪組下部頁巖儲層數據波動小，但反映脆性的楊氏模量與泊松比并不顯著優(yōu)于中上部儲層，因此，研究區(qū)代表性的深層頁巖與中淺層頁巖的脆性層段性特征存在顯著差異，這可能反映了深層頁巖在儲層成巖作用影響下的特殊性。

頁巖儲層在沉積層理方向與垂向均具有顯著的非均質性[8]，但沿層理或紋層方向制備的柱樣更易開裂，這也反映了儲層沿層理方向具有特殊的力學性質。取五峰組—龍馬溪組底部頁巖代表性樣品進行力學測試，結果表明（表2），與垂向相比，沿層理方向具有更高的楊氏模量值、更低的泊松比以及抗張強度。更高的楊氏模量值與更低的泊松比說明儲層脆性較好，較低的抗張強度則反映儲層在該方向易于發(fā)生破裂，力學薄弱面豐富。鏡下觀察顯示，黏土礦物等的微觀賦存狀態(tài)常具有一定方向性，泥質—粉砂質形成的小尺度沉積分異等可以影響儲層抵抗應力的能力，在沉積層理方向，非均質性表現(xiàn)為儲層垂向與橫向方向上礦物組分、微觀組構、力學性質、滲流特征等方面的顯著差異。因此，儲層代表性樣品的垂向力學參數具有微弱的層段間差異，但層理方向的力學脆性與垂向顯著不同。

表2 五峰組—龍馬溪組頁巖儲層代表性樣品的垂向力學參數Table 2 Vertical mechanical parameters of representative samples from the Wufeng Longmaxi shale reservoir

3 頁巖儲層成巖作用

3.1 五峰組—龍馬溪組頁巖儲層成巖作用階段

沉積期研究區(qū)水介質屬于半咸水水介質條件[20]，據石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5477—1992，以自生礦物類型、黏土礦物組合、混層礦物特征、黏土礦物結晶度、有機質成熟度等指標綜合判斷頁巖成巖作用演化階段。X射線衍射數據顯示，五峰組—龍馬溪組頁巖黏土礦物組合屬于伊利石—綠泥石—混層礦物組合類型，是一種中—晚成巖作用階段的黏土礦物組合類型，伊蒙混層礦物的普遍存在說明成巖作用演化沒有達到極低級變質作用階段，以伊利石為主的黏土礦物組合則是晚成巖作用階段黏土礦物的演化特征[6]。測試頁巖的黏土礦物組合屬于I型—正常轉化型，可以作為成巖作用階段判斷的標志[21]。據三泉剖面代表性樣品（Q1-A10）的伊利石結晶度、綠泥石結晶度等測試數據（表3），頁巖達到了中成巖作用階段晚期—晚成巖作用階段；有機質成熟度2.81%～3.11%，均值2.95%（表3）；混層礦物的有序度和演化在成巖作用過程中不可逆，混層礦物屬于R3超點陣有序混層，第三轉換帶，說明混層礦物中伊利石礦物比例較高，穩(wěn)定溫度較高[22]。伊利石結晶度與綠泥石結晶度在極低級變質作用階段具有良好的相關性，研究區(qū)測試樣品的伊利石結晶度與綠泥石結晶度具有相對較好的相關性（圖3）。因此，綜合判斷研究區(qū)五峰組—龍馬溪組深層頁巖儲層成巖作用介于晚成巖作用階段至極低級變質作用階段之間。

圖3 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層伊利石—綠泥石結晶度相關性分析Fig.3 Correlation analysis of illite?chlorite crystallinity in the shale reservoirs of the Wufeng Formation and Longmaxi Formation in the study area

表3 三泉剖面五峰組—龍馬溪組頁巖黏土礦物結晶度與混層黏土礦物有序度Table 3 Crystallinity and orderliness of mixed?layer clay minerals in the Wufeng?Longmaxi Formation of the Sanquan section

3.2 成巖作用主要類型

五峰組—龍馬溪組頁巖成巖作用主要包括壓實作用、有機質生烴作用、固體瀝青充填作用、礦物溶蝕作用、交代作用、重結晶作用與膠結作用、礦物轉化作用、破裂作用與小尺度位移作用等，不同類型成巖作用在巖石演化不同階段的疊合塑造了儲層的物性特征，是頁巖物性的關鍵影響因素[22-23]。依據成巖演化過程中的物質組分與結構變化特征，將儲層成巖作用分為物理性成巖作用、礦物相關化學性成巖作用和有機質相關化學性成巖作用三類。

3.2.1 物理性儲層成巖作用

由于上覆應力的持續(xù)存在，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖受到了機械壓實作用的持續(xù)影響，造成了巖石的致密特性（圖4a），在微觀上使物質組分之間緊密接觸（圖4b），儲層內小尺度形變普遍（圖4c），接觸關系以面接觸、凹凸狀接觸為主（圖4d），塑性變形顯著[6]。在沉積造成的物質分異的基礎上，儲層經由機械壓實作用形成組分間接觸緊密的微觀結構，但由于沉積物質分異（圖4e），儲層實際上由多個碳質—泥質、泥質—粉砂質、碳質微層理構成（圖4f）[23]，微層理組合的存在是儲層顯著小尺度非均質性的重要成因[24]。觀察顯示，五峰組黏土礦物、有機質等存在微弱變形（圖4g），龍馬溪組底部未見顯著礦物變形（圖4h），而龍馬溪組中上部黏土礦物等微觀變形顯著（圖4i）。

破裂作用表現(xiàn)為部分礦物的破裂以及礦物間力學薄弱面的開裂（圖4f），是儲層基質中大量微裂隙的重要發(fā)育機理；小尺度位移作用常發(fā)育在層理面間，是塑造儲層層理間斷性力學結構的動力之一。破裂作用和小尺度位移作用形成的微米尺度微裂隙可以構成從納米尺度孔隙網絡到人造裂縫和井筒的氣體滲流通道，有助于提高頁巖基質滲透率。

圖4 五峰組—龍馬溪組頁巖儲層的壓實物理性成光作用與破裂作用觀察Fig.4 Physical digenesis and micro?fracturing in the Wufeng?Longmaxi Formation

3.2.2 有機質相關的化學性儲層成巖作用

有機質生烴作用、固體瀝青充填作用等是頁巖儲層中與有機質相關的主要化學性儲層成巖作用。對于以有機質孔隙為主要孔隙類型的頁巖儲層，有機質生烴演化不僅為儲層提供了豐富的氣源，也形成了具有豐富內表面的有機質納米孔隙[24]。頁巖儲層中的固體瀝青多屬于熱演化成因瀝青，主要是以縮合作用形成的多環(huán)焦瀝青殘余物，其光性結構可以作為有機質成熟度標志，對研究油氣生成、運移以及成藏期研究具有重要意義，在頁巖儲層的固體瀝青觀察中，多孔固體瀝青常有短距離運移跡象[25]。固體瀝青充填作用是被忽視的重要成巖作用類型之一，固體瀝青是巖石有機質熱演化裂解而形成的可以發(fā)生短距離運移的聚集有機質。由于在固體瀝青的演化和充填過程中伴隨生烴和成分改變，因此歸入化學性成巖作用。固體瀝青具有短距離運移能力，運移通道主要是破裂作用與小尺度位移作用形成的滲流通道（圖5a），其內部具有發(fā)育的有機質納米孔（圖5b），在儲層基質中以流動狀充填于微裂隙、礦物間微觀儲集空間中，研究表明，孔隙發(fā)育的固體瀝青具有一定的抵抗外界應力的能力，有助于儲層中微裂隙與礦物間儲集空間的保存[25]。在五峰組部分層段、龍馬溪組底部頁巖儲層中，固體瀝青充分充填石英等脆性礦物間儲集空間，固體瀝青中納米尺度孔隙系統(tǒng)發(fā)育，高脆性礦物基質提供了力學骨架，保護了固體瀝青中的納米孔隙系統(tǒng)，也使儲層具有極好的壓裂脆性。

3.2.3 礦物相關的化學性儲層成巖作用

頁巖儲層中的礦物相關化學性儲層成巖作用主要包括化學壓實作用、礦物溶蝕作用、交代作用、重結晶作用與膠結作用、礦物轉化作用等?；瘜W壓實作用發(fā)生在2 000 m埋深以下，達到壓溶臨界條件，同時有化學活動性流體的參與[26]。礦物溶蝕作用可以是在酸性條件下由有機酸溶蝕形成，或由黏土礦物交代易溶蝕礦物形成[27]（圖5c），在四川盆地其他地區(qū)頁巖儲層的觀測研究中，見有石英礦物邊緣被交代或溶蝕現(xiàn)象[28]，觀測研究區(qū)樣品也見有黃鐵礦、石英等礦物的部分溶蝕現(xiàn)象（圖5d）。莓狀黃鐵礦集合體在儲層中普遍發(fā)育（圖5e），微晶間充填有機質，內部發(fā)育有豐富的納米孔隙[29]；儲層自生礦物的發(fā)育為化學充填作用提供了物質基礎，可以有效降低儲集空間發(fā)育程度，自生黏土礦物、方解石、黃鐵礦、自生石英等是較為發(fā)育的充填礦物，也在五峰組、龍馬溪組下部觀測到同沉積黃鐵礦結核等（圖5f）。層理縫、裂縫等發(fā)生的化學充填作用主要是自生方解石與黃鐵礦的充填作用（圖5g）。

五峰組—龍馬溪組下部層段頁巖儲層富含生物源硅質（圖5h），生物成因蛋白石向穩(wěn)定石英礦物的轉化是儲層中發(fā)生的重要礦物轉化。晚成巖作用階段—極低級變質作用階段的演化程度也可以使儲層中的硅質膠結物發(fā)生進一步的致密化，如筇竹寺組頁巖儲層中石英礦物的次生加大現(xiàn)象[30]。五峰組—龍馬溪組頁巖儲層中的硅質膠結作用主要包括蒙脫石層間水脫除成因的石英微晶（70℃～90℃熱力條件）和蒙脫石或高嶺石進一步脫除層間水而形成的石英微晶集合體（90℃～100℃以上）[31-33]。黏土礦物在壓實作用下充分充填礦物間空間，而后在儲層成巖作用過程中轉化形成微晶石英為主的硅質膠結物（圖5i）。

圖5 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層成巖作用觀察Fig.5 Observations of reservoir diagenesis from the Wufeng?Longmaxi Formation in the study area

4 頁巖儲層成巖作用對儲層力學脆性的影響

頁巖儲層成巖作用是塑造納米尺度儲集空間、造成“低孔低滲”特征的主要影響因素[6]，在儲層演化過程中，成巖作用不僅影響孔隙發(fā)育與物性特征，也通過改變礦物類型比例、接觸關系等影響儲層的力學脆性，進而影響儲層的壓裂效果[34-35]。在進行儲層力學脆性評價時，目前的評價方式主要是從物質組分和力學結構的角度展開評價。這兩個角度是儲層力學脆性的直接影響因素，但頁巖儲層力學脆性是微觀物質組分與小尺度微觀結構的變化在宏觀的反映，因此探究頁巖成巖作用演化過程對力學特征的影響，有助于總結優(yōu)質力學脆性儲層的發(fā)育機理[36]。

4.1 儲層成巖演化作用過程中的礦物組合變化

儲層礦物演化受到構造—埋藏過程影響下溫度—壓力的控制，在儲層演化的不同階段，儲層礦物組合存在差異（圖6）。五峰組—龍馬溪組下部頁巖隨著埋深的增加，儲層黏土礦物由I型（正常）高嶺石—蒙脫石為主的礦物組合向混層礦物+伊利石礦物為主的黏土礦物組合演化，并在黏土礦物轉化、鉀長石溶解、生物源硅質演化等作用下不斷形成以自生石英為主的脆性礦物[37]；儲層中的脆性礦物含量不斷增加，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底部部分層段脆性礦物含量比例達到80%以上。儲層中的沉積有機質也在成巖演化過程中發(fā)生分解、生烴、排烴、空間位置移動等，排出的有機酸等產物進一步參與礦物溶蝕作用。但在儲層中—晚期成巖作用階段，隨著儲層上覆應力和其他構造因素的影響，儲層中的破裂作用和小尺度位移作用在儲層中形成微裂隙、層理縫、裂縫等空間，自生方解石、黃鐵礦晶體等對微裂隙、層理縫、裂縫等進行充填，調整了儲層力學結構。

圖6 構造—埋藏控制下的頁巖儲層礦物組合轉化與組構演化Fig.6 Miaeral assemblage and fabric ewlution of shale reservoir under tectionic burial prolcess

儲層不同層段成巖作用的差異受到巖石原始物質組分與結構的影響。儲層演化過程中鋁硅酸鹽礦物的水巖作用顯著改變了儲層礦物組合[38]。五峰組—龍馬溪組下部頁巖儲層中石英礦物以生物源硅質為主，含少量陸源石英，此外火山灰來源的蒙脫石含量非常豐富，儲層中發(fā)育多層斑脫巖[39]，因此，生物源硅質+陸源石英+鉀長石+高蒙脫石黏土礦物為主的礦物組合在晚成巖—極低級變質作用階段轉化為自生微晶石英+陸源石英+高伊利石黏土礦物為主的組合（圖6），脆性礦物含量顯著增高，有助于改善儲層的力學脆性特征。而在龍馬溪組頁巖儲層的中上部，由于沉積物中陸源碎屑礦物含量顯著增高，生物源硅質含量較低，蒙脫石含量降低，儲層自生微晶石英的礦物轉化作用微弱，儲層不具備在成巖演化過程中形成大量自生脆性礦物的能力。

4.2 儲層成巖演化作用過程中的小尺度組構變化

頁巖儲層成巖演化受到構造—埋藏過程的控制。相對快速埋藏階段在2 000 m以下，儲層埋深加大會造成地層水大量排出[40]，機械壓實作用在此階段內塑造了儲層較為致密的小尺度結構。在毫米—宏觀尺度，不同層段的頁巖由于沉積物粒度與分布差異呈現(xiàn)不同的宏觀特征，五峰組—龍馬溪組下部礦物粒度細小，形成宏觀上相對均質的儲層，在龍馬溪組中上部，隨著陸源碎屑含量的增多，儲層含粉砂質紋層、夾層，均質性更差；在微米—納米尺度，五峰組—龍馬溪組下部儲層在沉積條件的控制下形成微米級顯微層理，由于碳質—礦物質含量的層理間差異，儲層形成大量的水平向力學薄弱面。在此階段可能發(fā)生黃鐵礦交代生物結構形成莓狀集合體（莓狀黃鐵礦存在生物成因與非生物成因之爭）[29]，同時發(fā)生初步的有機質熱演化和礦物轉化作用，礦物間接觸關系更加緊密，儲層抵抗外界應力能力增強。

由于頁巖儲層不同層段的沉積環(huán)境與沉積條件具有層段性差異，在其基礎上的受儲層成巖作用影響的小尺度巖石結構和微觀組構也具有層段性差異（圖7）。五峰組—龍馬溪組底部頁巖的碳質—泥質富筆石水平層理，經過機械壓實作用影響后形成層理結構，增強了黏土礦物等的定向性，并在外界應力的影響下發(fā)生破裂作用與小尺度位移作用，形成裂縫性小尺度儲集空間，并在其中發(fā)生化學充填作用與固體瀝青充填作用，同時在演化過程中通過礦物轉化作用等造成自生石英等脆性礦物的含量比例增長。受該過程影響，五峰組—龍馬溪組下部頁巖儲層垂向滲透率極低。儲層脆性礦物含量極高，并且脆性礦物之間填充的塑性黏土礦物等含量較低，因此抵御外界壓力的能力相對較差，易破裂。此外，該層段沿層理面方向發(fā)育密集的力學薄弱面，使其在地層水平方向具有更好的破裂延伸能力。

圖7 沉積—成巖控制下的頁巖儲層巖石結構層段性差異Fig.7 Rock structure and interval difference of shale under sedimentary?diagenetic control

從力學測試結果來看，五峰組—龍馬溪組下部的高硅質頁巖與龍馬溪組中上部的紋層狀粉砂質頁巖相比數據更穩(wěn)定，但垂向壓裂測試得到的脆性指數僅略微優(yōu)于龍馬溪組中上部。五峰組—龍馬溪組下部頁巖層理方向的破裂性能顯著更好，說明層理通過塑造具有方向性的力學薄弱面體系，造成儲層力學性質顯著的方向性差異。

4.3 超高脆性礦物含量頁巖儲層發(fā)育機理

研究區(qū)五峰組部分層段以及龍馬溪組底部層段存在超高脆性礦物含量層段（表1），脆性礦物含量可以高達80%以上，有機質含量一般高于3%，同時具有優(yōu)質的層理方向壓裂脆性。該現(xiàn)象在涪陵焦石壩等地區(qū)同樣存在[8,11,23,41]。選取超高脆性礦物含量層段代表性樣品進行系統(tǒng)觀察，在微觀上，該層段物相特征與其他層段具有顯著差異（圖8a），微區(qū)物相組合以微晶石英+有機質為主（圖8），高分辨率觀測顯示（圖8b，c），大部分微晶石英粒度介于400 nm～8μm之間（圖8b），脆性礦物之間充填有豐富的固體瀝青，固體瀝青內部發(fā)育有機質納米孔（圖8c），黏土礦物僅在長石等礦物周緣以及部分石英礦物間少量發(fā)育。微晶石英的密集發(fā)育受控于自生石英形成的空間（原始粒間孔隙）的結晶方式，微晶石英集合體可能與化學性壓實作用有關，微晶石英形成于早—中成巖階段，其中生物硅質向蛋白石CT轉化主要發(fā)生在早成巖階段，這個階段化學壓實作用不占主導地位。

圖8 超高脆性礦物含量頁巖儲層微觀特征Fig.8 Micro?scale characteristics of shale reservoir with ultra?high brittle mineral content

層段特殊的物質組分與微觀結構特征說明，超高脆性礦物含量頁巖儲層是在特定物質組分基礎上經由特殊儲層成巖作用演化而形成的（圖9）：1）從超高脆性礦物含量頁巖儲層的發(fā)育層段來看，層段均處于生物源硅質豐富的五峰組—龍馬溪組底部層段，同時也處于蒙脫石等豐富的火山活動活躍層段，主要沉積環(huán)境是相對滯留的閉塞海盆（五峰組）以及海平面快速上升背景下的深水陸棚（龍馬溪組底部）[23,42]，儲層在原始物質組分上富生物源硅質、黏土礦物中蒙脫石比例較高，有利于為自生石英轉化提供充足的礦物來源；2）超高脆性礦物含量頁巖儲層均發(fā)育典型的水平層理沉積構造，使儲層具有良好的自封性；3）經壓實作用改造后，自生石英經由礦物轉化作用形成，形成大量微晶自生石英，構成巖石骨架；4）在儲層演化過程中，有機質不斷生烴演化，固體瀝青在應力作用下經短距離運移充分調整、充填微晶自生石英間的微觀儲集空間，使儲層兼具極好的力學脆性、儲集能力以及豐富的氣源。層段低黏土礦物含量使儲層更容易破裂，而不是產生小尺度塑性變形。

圖9 超高脆性礦物含量頁巖儲層發(fā)育機理Fig.9 Development mechanism of a shale reservoir with ultra?high brittle mineral content

4.4 成巖作用與優(yōu)質力學脆性頁巖儲層評價優(yōu)選

五峰組—龍馬溪組頁巖儲層中，碳質—硅質富筆石水平層理頁巖經過特殊儲層成巖改造形成自生微晶石英+有機質為主的物相組合，碳質—泥質富筆石水平層理頁巖次之；陸源碎屑含量較高、水平層理發(fā)育程度較差的頁巖在成巖作用過程中沒有經受自生微晶石英發(fā)育等脆性礦物大規(guī)模增加的儲層成巖作用影響。由于五峰組—龍馬溪組頁巖不同層段的沉積環(huán)境與沉積條件不同，其所沉積的物質組分與巖石結構也存在差異；在此基礎上，頁巖儲層所經歷的成巖作用改造強度不同，影響儲層的物性、含氣性與壓裂潛力。因此，在原始物質與結構的基礎上，成巖作用是導致儲層力學性質差異的本質原因。

目前，由于頁巖儲層勘探開發(fā)需要采用水平井和水力壓裂等工程手段，亟待探明儲層精細小層評價的機理、依據與方法[11]，對頁巖儲層的層位優(yōu)選可以為儲層工程改造提供科學依據；對優(yōu)質頁巖力學脆性儲層的發(fā)育機理的研究，可以為海相頁巖優(yōu)質儲層的勘探、開發(fā)、評價、工程建議提供支撐。研究表明，基于物質組分、室內參數的力學評價都還不能精準反映儲層的壓裂潛力，儲層成巖作用、成巖演化及力學脆性演化對儲層含氣性特征的影響還需要進一步明確[43-45]，對深層頁巖、高演化程度頁巖壓裂潛力的評價需要考慮成巖作用的影響，對優(yōu)質頁巖儲層發(fā)育機理的研究，也應當深入到儲層成巖作用影響礦物演化、微觀結構等方面，對頁巖儲層巖石力學的分析，也有待在礦物類型、組合、排列在儲層成巖作用改造過程中的演化差異等方面進一步細化。

5 結論

（1）渝西地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層礦物組分以脆性礦物、黏土礦物、黃鐵礦等為主，脆性礦物以石英礦物為主，礦物組分類型較為穩(wěn)定，但礦物含量與比例具有層段性差異，五峰組—龍馬溪組底部頁巖脆性礦物含量相對較高，水平層理發(fā)育方向具有更好的脆性。

（2）五峰組—龍馬溪組頁巖儲層達到中—晚成巖作用階段—極低級變質作用階段，儲層物質組分、結構及物性受到了成巖作用的深度改造；主要成巖作用類型包括壓實作用、有機質生烴作用、固體瀝青充填作用、礦物溶蝕作用、交代作用、重結晶作用與膠結作用、礦物轉化作用、破裂作用與小尺度位移作用等，在構造—埋藏作用的控制下，儲層經歷埋藏初期的相對快速埋藏階段、中成巖期有機質規(guī)模演化階段、晚成巖作用—近變質帶階段三個階段。

（3）五峰組—龍馬溪組底部存在部分脆性礦物高于80%的超高脆性礦物含量層段，碳質—硅質富層理頁巖在特殊儲層成巖作用的影響下形成大量自生微晶石英，構成以微晶石英+賦孔有機質為主的顯微物相組合，兼具良好的力學脆性與儲集能力，而其他層段缺乏持續(xù)演化不斷形成微晶石英增量的物質基礎。

（4）儲層成巖作用發(fā)生的物質基礎、巖石結構、類型、作用強度在層段間的差異，是儲層脆性礦物與力學性質差異的關鍵影響因素，應作為儲層層段優(yōu)選、評價與優(yōu)質儲層機理研究的科學依據。

致謝 感謝中國礦業(yè)大學李壯福副教授、朱炎銘教授、沈玉林教授、申建教授、王超勇副教授、安徽理工大學張敬霞博士、中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所李艷芳博士后、重慶市地質礦產研究院曾春林、汪生秀、張志平高級工程師、昆士蘭大學Tom Rufford教授、中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院武瑾博士等對論文提出的建議與意見，感謝南京大學解德錄博士、中國礦業(yè)大學李冠霖、崇璇以及上海工程技術大學李剛等在野外工作、樣品整理、資料整理等方面的工作。